EP3242345B1 - Lithium-batterie - Google Patents

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EP3242345B1
EP3242345B1 EP16168049.1A EP16168049A EP3242345B1 EP 3242345 B1 EP3242345 B1 EP 3242345B1 EP 16168049 A EP16168049 A EP 16168049A EP 3242345 B1 EP3242345 B1 EP 3242345B1
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EP
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housing
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current collector
separator
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Winfried Gaugler
Hanna Siwek
Bernd Kreidler
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VARTA Microbattery GmbH
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Definitions

  • the invention described below relates to a battery with a positive electrode designed as a hollow cylinder and defining a cavity and an electrode of opposite polarity arranged in the cavity.
  • battery originally meant several electrochemical cells connected in series. Today, however, individual electrochemical cells (single cells) batteries are very often understood.
  • Batteries of the type mentioned at the outset are often cells in which an alkali metal, in particular lithium, is used as active material in the negative electrode.
  • batteries with a negative lithium electrode are the lithium thionyl chloride battery, the lithium sulfur dioxide battery, the lithium carbon monofluoride battery, the lithium iron sulfide battery and the lithium manganese dioxide battery.
  • manganese dioxide electrodes, iron disulfide electrodes in the case of a lithium iron sulfide battery and in the case of a lithium sulfur dioxide battery sulfur dioxide dissolved in acetonitrile (absorbed in an inert electrode) are used as positive electrodes.
  • the positive electrodes are designed as hollow cylinders.
  • the negative lithium electrode is arranged in the interior of the positive electrode, encased by a separator which separates the positive electrode from the negative electrode, but allows ion transport between the two electrons.
  • the ion transport is usually ensured by using a suitable electrolyte.
  • Electrolytes in which a salt such as lithium hexafluorophosphate is dissolved in an organic solvent, for example in a carbonate, are particularly suitable for batteries with lithium electrodes.
  • the electrical contacting of the positive electrode is generally not a problem. Usually, its outside is in direct contact with the inside wall of an electrically conductive battery housing part. The electrical contact can accordingly be made via this housing part. In contrast, contacting the negative electrode is more complex. For this, a pin is traditionally used, which is tapered at one end and carries a flange at the other end, which plays a role in sealing the housing.
  • a typical example of such a current arrester can be found in the DE 32 40 806 A1
  • An alternative example of a current arrester can be found in the DE 3409584 A ,
  • a problem that occurs repeatedly with the batteries described is the occurrence of internal short circuits.
  • Lithium ions dissolved in the electrolyte can deposit on the negative current conductor, forming dendrites.
  • This dendrite formation is particularly a problem when temperature differences occur within a battery, for example as a result of local heating by an external heat source or as a result of local cooling, when a part of the battery is in direct contact with a good heat conductor.
  • the dendrites grow over time and can come into direct contact with the positive electrode from a certain size, which causes the short-circuits mentioned.
  • a known solution to this problem is to install the negative electrode in the form of a hollow cylinder. Lithium deposits then occur primarily in the interior of the hollow cylinder. This effectively counteracts a short-circuit problem, but the fundamental problem of depositing lithium from the electrolyte on negative current conductors is not solved. In addition, the measure described has a negative impact on the energy density of affected batteries.
  • the object of the invention described below was to find a solution to the problem mentioned.
  • the battery according to the invention is a lithium battery which, like the generic batteries described at the outset, always has a positive electrode designed as a hollow cylinder and defining a cavity, and a negative electrode arranged in the cavity.
  • a separator is arranged between the positive and negative electrodes.
  • the positive electrode together with the negative electrode arranged in the cavity and the separator are enclosed by a housing which is generally at least two parts. This has an interior in which the electrodes and the separator are arranged.
  • a first current conductor is provided for the negative electrode and a second current conductor for the positive electrode.
  • Part of the housing that surrounds it serves as the second current conductor for the positive electrode.
  • a pin is provided as the first current conductor for the negative electrode. This has a first, terminal section, which is completely sunk into the negative electrode, and a second section within the housing, which is not in direct contact with the negative electrode and which directly adjoins the first section.
  • the pin preferably consists of steel, in particular of a stainless steel. In some embodiments, it can also have a preferably closed coating made of nickel or a nickel alloy.
  • the pin has two ends, one of which is designed as a tapered tip and the other has a flange.
  • the pin preferably has the tapered tip at the free end of the first terminal section.
  • the second section is preferably located between the flange and the first, terminal section.
  • the pin can carry a thread on its outside, in particular in the region of the first, terminal section.
  • the pin has a head instead of the flange and a shaft emerging therefrom, which in turn has an area that carries the thread.
  • the head preferably has a top and a bottom.
  • the shaft emerges from the head on the underside and the upper side is flat.
  • the area carrying the thread is preferably the first, terminal section of the pin.
  • the area of the shaft carrying the thread is therefore particularly preferably completely sunk in the negative electrode.
  • the second section of the pin is then preferably the region of the shaft between the head and the first, end section.
  • the battery according to the invention is particularly characterized in that it has an insulator element which protects the second section from direct contact with the electrolyte.
  • the insulator element preferably consists of an electrically non-conductive material, in particular of an electrically non-conductive plastic, which is impenetrable for the electrolyte contained in the battery.
  • the insulator element preferably consists of a non-porous plastic. Suitable plastics are, for example, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS) and polyether ether ketone (PEEK). If necessary, multilayer films can also be used, for example films made of two layers of PP and a layer of polyamide (PA) arranged between them.
  • PP polypropylene
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyether ether ketone
  • multilayer films can also be used, for example films made of two layers of PP and a layer of polyamide (PA) arranged between them.
  • the insulator element is particularly preferably a sleeve which can be produced by injection molding or by deep drawing, for example from a film made from one of the plastic materials mentioned.
  • the insulator element can also be an electrically non-conductive coating, in particular an electrically non-conductive lacquer.
  • the insulator element lies close to the surface of the pin in the second section.
  • the size and shape of the insulator element are preferably matched exactly to the shape and dimension of the pin used.
  • the separator is designed as a closed container which completely surrounds the negative electrode and has only one opening for the first current conductor.
  • the separator can be firmly connected to the insulator element, for example by welding or gluing.
  • the separator is a porous sleeve made of a plastic, for example made of polypropylene.
  • the separator particularly preferably consists of one or more nonwoven parts.
  • the housing parts are made of metal, for example sheet steel.
  • the second housing part is disc-shaped and the first current conductor is electrically connected to the second housing part, in particular by welding. It is then usually preferred that the second housing part serves as a negative tap pole of the battery according to the invention. In any case, an electrically insulating seal is then required, which is arranged between the first and the second housing part.
  • the second housing part is disc-shaped and has an opening through which the first current conductor is led out of the interior of the housing.
  • the housing has an electrically insulating seal, which prevents contact between the first current conductor and the second housing part. The part of the current conductor which is led outwards can then itself serve as a negative tap pole of the battery according to the invention.
  • the hollow cylindrical positive electrode is in direct contact with the first housing part, in particular is in direct contact with the latter.
  • the first, cup-shaped housing part preferably serves as a positive tap pole of the battery according to the invention.
  • the positive electrode designed as a hollow cylinder is generally not introduced in one piece into the cup-shaped housing part, but rather in the form of individual segments which, when put together, form the positive electrode. It is accordingly preferred that the positive electrode is composed of at least two ring-shaped individual segments which adjoin one another flatly via first contact surfaces and bear against the first housing part via second contact surfaces. For example, two or more ring-shaped segments can be stacked on top of one another in the cup-shaped cell housing. In this case, the inner diameter of the annular segments determines the volume and the diameter of the cavity for the negative electrode. The outer diameter of the annular segments is generally matched exactly to the corresponding inner diameter of the cup-shaped first housing part.
  • the battery 100 shown has a housing comprising a cup-shaped housing part 101 and a disk-shaped housing part 102 .
  • the housing part 101 comprises a flat, circular bottom 101a and a cylindrical jacket 101b .
  • the housing part 101 has a circular opening opposite the bottom 101a . This is closed by means of the disk-shaped housing part 102 .
  • the positive electrode 103 Arranged in the interior of the housing is the positive electrode 103 , which is designed as a hollow cylinder and is composed of three individual segments 103a to 103c .
  • the positive electrode 103 consists essentially of manganese dioxide.
  • the individual segments 103a to 103c are each ring-shaped and each have an identical outside and inside diameter. They are arranged in a stack shape within the housing part 101 and define the cavity 104 in their center .
  • the negative electrode 105 which consists of metallic lithium (a strand of lithium metal) and is surrounded by a cup-shaped separator 106 , is arranged therein. The latter separates the electrodes 103 and 105 from one another.
  • the separator 106 is a sleeve made of a nonwoven made of plastic fibers, for example made of polypropylene. The sleeve is open at its upper end 112 .
  • the negative electrode 105 arranged inside the cavity 104 is contacted by the pin-shaped current conductor 107 .
  • This has a first, terminal section 107b which is completely sunk in the negative electrode 105 , and a second section 107c which is not in direct contact with the negative electrode 105 .
  • the current conductor 107 has the tapered tip 107a and the flange 107d .
  • the disk-shaped housing part 102 has a central opening through which the current conductor 107 is guided outwards from the interior of the housing.
  • the electrically insulating seals 109 and 110 are arranged. The latter also shields the clamping element 111, which is generally made of metal, from the housing part 102 .
  • the electrolyte located in the interior of the housing consisting of the housing parts 101 and 102 could come into direct contact with the current conductor 107 .
  • the insulator element 108 is a precisely fitting sleeve made of plastic, which is pulled onto the current conductor 107 . This covers the current conductor 107 starting from the seal 109 to the point at which it enters the negative electrode 105 .
  • the insulator element 108 can be firmly connected to the seal 109 , for example by fusion or adhesive bonding.
  • the battery 200 shown has a housing comprising a cup-shaped housing part 201 and a disk-shaped housing part 202 .
  • the housing part 201 comprises a flat, circular base 201a and a cylindrical jacket 201b.
  • the housing part 201 has a circular opening lying opposite the base 201a . This is closed by means of the disk-shaped housing part 202 .
  • the positive electrode 203 Arranged in the interior of the housing is the positive electrode 203 , which is designed as a hollow cylinder and is composed of three individual segments 203a to 203c .
  • the positive electrode 203 consists essentially of manganese dioxide.
  • the individual segments 203a to 203c are each ring-shaped and each have an identical outside and inside diameter. They are arranged in a stack shape within the housing part 201 and define the cavity 204 in their center .
  • the negative electrode 205 made of metallic lithium (a strand of lithium metal) is arranged therein, which is surrounded by a cup-shaped separator 206 . The latter separates the electrodes 203 and 205 from one another.
  • the separator 206 is a sleeve made of a nonwoven made of plastic fibers, for example made of polypropylene.
  • the sleeve is not open at its upper end 212 .
  • the separator 206 is designed here as a closed container which completely surrounds the negative electrode 205 and only has an opening for the pin-shaped current conductor 207 .
  • the separator 206 can be firmly connected to the insulator element 208 , for example by welding or gluing.
  • the current collector 207 contacts the negative electrode 205 arranged within the cavity 204.
  • the current collector 207 has a first, terminal section 207b which is completely buried in the negative electrode 205 , and a second section 207c which is not directly connected to the negative electrode 205 is in contact. Furthermore, the current arrester 207 has the tapered tip 207a and the flange 207d .
  • the disk-shaped housing part 202 has a central opening through which the current conductor 207 is guided outwards from the interior of the housing.
  • the electrically insulating seals 209 and 210 are arranged between the housing part 202 and the current conductor 207 .
  • the latter also shields the clamping element 211, which is generally made of metal, from the housing part 202.
  • the insulator element 208 is a precisely fitting sleeve made of plastic, which is pulled onto the current conductor 207 . This covers the current conductor 207 starting from the seal 209 to the point at which it enters the negative electrode 205 .
  • the insulator element 208 can be firmly connected to the seal 209 , for example by fusion or adhesive bonding.
  • Batteries according to the in 1 and 2 were subjected to a storage test with a temperature gradient (negative electrode warmer than positive electrode). Under these conditions, there would typically be lithium deposition on the current arrester. However, no lithium deposits were observed on the current conductors 107 and 207 after the end of the experiment.

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Description

  • Die im Folgenden beschriebene Erfindung betrifft eine Batterie mit einer als Hohlzylinder ausgebildeten, einen Hohlraum definierenden positiven Elektrode und einer in dem Hohlraum angeordneten Elektrode entgegengesetzter Polarität.
  • Der Begriff "Batterie" meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete elektrochemische Zellen. Heute werden jedoch sehr häufig auch unter einzelnen elektrochemischen Zellen (Einzelzellen) Batterien verstanden.
  • Bei Batterien der eingangs genannten Bauart handelt es sich häufig um Zellen, bei denen ein Alkalimetall, insbesondere Lithium, als Aktivmaterial in der negativen Elektrode verwendet wird. Beispiele für Batterien mit negativer Lithium-Elektrode sind die Lithium-Thionylchlorid-Batterie, die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie, die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie, die Lithium-Eisensulfid-Batterie und die Lithium-Mangandioxid-Batterie. Als positive Elektroden kommen im Fall der letztgenannten Lithium-Mangandioxid-Batterie Mangandioxid-Elektroden, Eisendisulfid-Elektroden im Fall einer Lithium-Eisensulfid-Batterie und im Fall einer Lithium-Schwefeldioxid-Batterie in Acetonitril gelöstes Schwefeldioxid (absorbiert in einer Inertelektrode) zum Einsatz. Die positiven Elektroden sind dabei in vielen Fällen als Hohlzylinder ausgebildet. Im Inneren der positiven Elektrode ist die negative Lithium-Elektrode angeordnet, ummantelt von einem Separator, der die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt, dabei jedoch einen Ionentransport zwischen den beiden Elektronen zulässt. Der Ionentransport wird dabei in der Regel durch Einsatz eines geeigneten Elektrolyten gewährleistet. Für Batterien mit Lithium-Elektroden eignen sich insbesondere Elektrolyte, bei denen ein Salz wie beispielsweise Lithium-Hexafluorophosphat in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise in einem Carbonat, gelöst ist.
  • Die elektrische Kontaktierung der positiven Elektrode stellt in der Regel kein Problem dar. Üblicherweise steht ihre Außenseite direkt mit der Innenwand eines elektrisch leitenden Batteriegehäuseteils in Kontakt. Die elektrische Kontaktierung kann entsprechend über dieses Gehäuseteil erfolgen. Aufwändiger ist dagegen die Kontaktierung der negativen Elektrode. Hierfür kommt klassisch ein Stift zum Einsatz, der an einem Ende konisch zugespitzt ist und am anderen Ende einen Flansch trägt, der bei der Gehäuseabdichtung eine Rolle spielt. Ein typisches Beispiel für einen solchen Stromableiter findet sich in der DE 32 40 806 A1 . Ein alternatives Beispiel für einen Stromableiter findet sich in der DE 3409584 A .
  • Ein bei den beschriebenen Batterien immer wieder auftretendes Problem ist das Auftreten interner Kurzschlüsse. Im Elektrolyten gelöste Lithium-Ionen können sich unter Dendritenbildung auf dem negativen Stromableiter abscheiden. Diese Dendritenbildung ist insbesondere dann ein Problem, wenn innerhalb einer Batterie Temperaturunterschiede auftreten, beispielsweise in Folge einer lokalen Erwärmung durch eine externe Wärmequelle oder in Folge einer lokalen Abkühlung, wenn ein Teil der Batterie in unmittelbarem Kontakt mit einem guten Wärmeleiter steht. Die Dendriten wachsen mit der Zeit und können ab einer gewissen Größe mit der positiven Elektrode in unmittelbaren Kontakt treten, was die genannten Kurzschlüsse verursacht.
  • Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, die negative Elektrode in Form eines Hohlzylinders zu verbauen. Zu Lithium-Abscheidungen kommt es dann vor allem im Inneren des Hohlzylinders. Hierdurch wird einer Kurzschluss-Problematik wirksam entgegengetreten, das grundsätzliche Problem der Abscheidung von Lithium aus dem Elektrolyten auf negativen Stromableitern wird aber nicht gelöst. Zudem wirkt sich die beschriebene Maßnahme negativ auf die Energiedichte betroffener Batterien aus.
  • Der nachfolgend beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für das genannte Problem zu finden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Batterie handelt es sich um eine Lithium-Batterie, die wie die eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Batterien stets eine als Hohlzylinder ausgebildete, einen Hohlraum definierende positive Elektrode sowie eine in dem Hohlraum angeordnete negative Elektrode aufweist. Zwischen der positiven und der negativen Elektrode ist ein Separator angeordnet. Umschlossen werden die positive Elektrode samt der in dem Hohlraum angeordneten negativen Elektrode und dem Separator von einem in der Regel mindestens zweiteiligen Gehäuse. Dieses weist einen Innenraum auf, in dem die Elektroden und der Separator angeordnet sind.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden ist für die negative Elektrode ein erster Stromableiter vorgesehen, für die positive Elektrode ein zweiter Stromableiter. Als zweiter Stromableiter für die positive Elektrode dient ein Teil des Gehäuses, das sie umschließt. Als erster Stromableiter für die negative Elektrode ist erfindungsgemäß ein Stift vorgesehen. Dieser weist einen ersten, endständigen Abschnitt auf, der vollständig in der negativen Elektrode versenkt ist, und innerhalb des Gehäuses einen zweiten Abschnitt, der nicht in unmittelbarem Kontakt mit der negativen Elektrode steht und der sich unmittelbar an den ersten Abschnitt anschließt.
  • Bevorzugt besteht der Stift aus Stahl, insbesondere aus einem Edelstahl. In einigen Ausführungsformen kann er auch einen bevorzugt geschlossenen Überzug aus Nickel oder aus einer Nickellegierung aufweisen.
  • In bevorzugten Ausführungsformen weist der Stift zwei Enden auf, von denen eines als konisch zulaufende Spitze ausgebildet ist und das andere einen Flansch aufweist. Die konisch zulaufende Spitze weist der Stift bevorzugt am freien Ende des ersten endständigen Abschnitts auf. Der zweite Abschnitt befindet sich bevorzugt zwischen dem Flansch und dem ersten, endständigen Abschnitt.
  • Auf seiner Außenseite kann der Stift ein Gewinde tragen, insbesondere im Bereich des ersten, endständigen Abschnitts.
  • Wenn der Stift ein Gewinde trägt, dann ist es bevorzugt, dass der Stift an Stelle des Flansches einen Kopf sowie aus diesem heraustretend einen Schaft aufweist, der wiederum einen Bereich aufweist, der das Gewinde trägt. Der Kopf weist bevorzugt eine Ober- und eine Unterseite auf. In Weiterbildung ist es bevorzugt, dass der Schaft auf der Unterseite aus dem Kopf heraustritt und die Oberseite flach ausgebildet ist.
  • Bei dem das Gewinde tragenden Bereich handelt es sich im Sinne obiger Definition bevorzugt um den ersten, endständigen Abschnitt des Stifts. Besonders bevorzugt ist also der das Gewinde tragende Bereich des Schafts vollständig in der negativen Elektrode versenkt. Bei dem zweiten Abschnitt des Stifts handelt es sich dann bevorzugt um den Bereich des Schafts zwischen dem Kopf und dem ersten, endständigen Abschnitt.
  • Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie ein Isolatorelement aufweist, das den zweiten Abschnitt vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Elektrolyten schützt.
  • Das Isolatorelement besteht bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff, der undurchdringlich für den in der Batterie enthaltenen Elektrolyten ist. Bevorzugt besteht das Isolatorelement aus einem porenfreien Kunststoff. Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK). Gegebenenfalls können auch mehrlagige Folien verwendet werden, beispielsweise Folien aus zwei Lagen PP und einer dazwischen angeordneten Lage Polyamid (PA).
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Isolatorelement um eine Hülse, die durch Spritzguss oder durch Tiefziehen, beispielsweise aus einer Folie aus einem der genannten Kunstoffmaterialien, gefertigt werden kann.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann es sich bei dem Isolatorelement auch um eine elektrisch nicht leitende Beschichtung, insbesondere um einen elektrisch nicht leitenden Lack, handeln.
  • Idealerweise liegt das Isolatorelement eng an der Oberfläche des Stifts in dem zweiten Abschnitt an. Zu diesem Zweck sind Größe und Form des Isolatorelements bevorzugt exakt auf die Form und Dimension des verwendeten Stifts abgestimmt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Separator als geschlossenes Behältnis ausgebildet, das die negative Elektrode vollständig umschließt und lediglich eine Durchbrechung für den ersten Stromableiter aufweist. Der Separator kann dabei mit dem Isolatorelement fest verbunden sein, beispielsweise durch Verschweißung oder Verklebung.
  • Bei dem Separator handelt es sich um eine poröse Hülse aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen. Besonders bevorzugt besteht der Separator aus einem oder mehreren Vliesstoff-Teilen.
  • Das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Batterie besteht in der Regel aus mehreren Einzelteilen. Üblicherweise umfasst es
    • ein erstes becherförmiges Gehäuseteil mit einem stirnseitigen Gehäuseboden, einem umlaufenden Gehäusemantel und einer dem Gehäuseboden gegenüberliegenden stirnseitigen Öffnung, sowie
    • ein zweites, die stirnseitige Öffnung des ersten Gehäuseteils verschließendes Gehäuseteil.
  • In aller Regel bestehen die Gehäuseteile aus Metall, beispielsweise aus Stahlblech.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Gehäuseteil scheibenförmig ausgebildet und der der erste Stromableiter ist elektrisch mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden, insbesondere durch Verschweißung. Es ist dann meist bevorzugt, dass das zweite Gehäuseteil als negativer Abgriffspol der erfindungsgemäßen Batterie dient. Benötigt wird dann jedenfalls eine elektrisch isolierende Dichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil angeordnet wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Gehäuseteil scheibenförmig ausgebildet und weist eine Durchbrechung auf, durch welche der erste Stromableiter aus dem Gehäuseinneren nach außen geführt ist. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass das Gehäuse eine elektrisch isolierende Dichtung aufweist, die einen Kontakt zwischen dem ersten Stromableiter und dem zweiten Gehäuseteil unterbindet. Der nach außen geführte Teil des Stromableiters kann dann selbst als negativer Abgriffspol der erfindungsgemäßen Batterie dienen.
  • Es ist bevorzugt, dass die hohlzylindrisch ausgebildete positive Elektrode in unmittelbarem Kontakt mit dem ersten Gehäuseteil steht, insbesondere großflächig direkt an diesem anliegt. Bevorzugt dient das erste, becherförmige Gehäuseteil als positiver Abgriffspol der erfindungsgemäßen Batterie.
  • Insbesondere aus produktionstechnischen Gründen wird die als Hohlzylinder ausgebildete positive Elektrode in aller Regel nicht einstückig in das becherförmige Gehäuseteil eingebracht, sondern in Form von einzelnen Segmenten, die zusammengesetzt die positive Elektrode bilden. Es ist entsprechend bevorzugt, dass sich die positive Elektrode aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten zusammensetzt, die über erste Kontaktflächen flächig aneinandergrenzen und über zweite Kontaktflächen an dem ersten Gehäuseteil anliegen. Beispielsweise können in dem becherförmigen Zellgehäuse zwei oder mehr ringförmige Segmente aufeinander gestapelt werden. In diesem Fall bestimmt der Innendurchmesser der ringförmigen Segmente das Volumen und den Durchmesser des Hohlraums für die negative Elektrode. Der Außendurchmesser der ringförmigen Segmente ist in der Regel exakt auf den entsprechenden Innendurchmesser des becherförmigen ersten Gehäuseteils abgestimmt.
  • Die beschriebenen sowie weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich auch aus der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können einzelne Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
    • Figurenbeschreibung
  • Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten schematischen Abbildungen (Längsschnitt) dienen der Erläuterung zweier bevorzugter Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Batterie.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Batterie 100 weist ein Gehäuse aus einem becherförmigen Gehäuseteil 101 und einem scheibenförmigen Gehäuseteil 102 auf. Das Gehäuseteil 101 umfasst einen ebenen, kreisförmig ausgebildeten Boden 101a und einen zylindrischen Mantel 101b. Stirnseitig weist das Gehäuseteil 101 eine kreisrunde, dem Boden 101a gegenüber liegende Öffnung auf. Diese ist mittels des scheibenförmigen Gehäuseteils 102 verschlossen.
  • Im Inneren des Gehäuses ist die als Hohlzylinder ausgebildete positive Elektrode 103 angeordnet, die aus drei Einzelsegmenten 103a bis 103c zusammengesetzt ist. Die positive Elektrode 103 besteht im Wesentlichen aus Mangandioxid. Die Einzelsegmente 103a bis 103c sind jeweils ringförmig ausgebildet und weisen einen jeweils identischen Außen- und Innendurchmesser auf. Innerhalb des Gehäuseteils 101 sind sie stapelförmig angeordnet und definieren in ihrem Zentrum den Hohlraum 104. In diesem ist die aus metallischem Lithium (einem Strang aus Lithiummetall) bestehende negative Elektrode 105 angeordnet, die von einem becherförmigen Separator 106 umgeben ist. Letzterer trennt die Elektroden 103 und 105 voneinander. Bei dem Separator 106 handelt es sich um eine Hülse aus einem Vliesstoff aus Kunststofffasern, beispielsweise aus Polypropylen. An ihrem oberen Ende 112 ist die Hülse offen.
  • Die innerhalb des Hohlraums 104 angeordnete negative Elektrode 105 wird durch den stiftförmigen Stromableiter 107 kontaktiert. Dieser weist einen ersten, endständigen Abschnitt 107b auf, der vollständig in der negativen Elektrode 105 versenkt ist, sowie einen zweiten Abschnitt 107c, der nicht unmittelbar mit der negativen Elektrode 105 in Kontakt steht. Weiterhin weist der Stromableiter 107 die konisch zulaufende Spitze 107a und den Flansch 107d auf.
  • Das scheibenförmige Gehäuseteil 102 weist eine zentrale Durchbrechung auf, durch die der Stromableiter 107 aus dem Gehäuseinneren nach außen geführt ist. Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Stromableiter 107 und dem Gehäuseteil 102 zu verhindern, sind zwischen dem Gehäuseteil 102 und dem Stromableiter 107 die elektrisch isolierenden Dichtungen 109 und 110 angeordnet. Letztere schirmt auch das in der Regel aus Metall bestehende Klemmelement 111 vom Gehäuseteil 102 ab.
  • Im Bereich des zweiten Abschnitts 107c könnte im Innenraum des aus den Gehäuseteilen 101 und 102 bestehenden Gehäuses befindlicher Elektrolyt mit dem Stromableiter 107 unmittelbar in Kontakt treten. Dies wird jedoch durch das Isolatorelement 108 wirksam verhindert. Bei dem Isolatorelement 108 handelt es sich um eine passgenaue Hülse aus Kunststoff, die auf den Stromableiter 107 aufgezogen ist. Diese überdeckt den Stromableiter 107 ausgehend von der Dichtung 109 bis zu dem Punkt, in dem er in die negative Elektrode 105 eintritt. In bevorzugten Ausführungsformen kann das Isolatorelement 108 mit der Dichtung 109 fest verbunden sein, beispielsweise durch Verschmelzung oder Verklebung.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Batterie 200 weist ein Gehäuse aus einem becherförmigen Gehäuseteil 201 und einem scheibenförmigen Gehäuseteil 202 auf. Das Gehäuseteil 201 umfasst einen ebenen, kreisförmig ausgebildeten Boden 201a und einen zylindrischen Mantel 201b. Stirnseitig weist das Gehäuseteil 201 eine kreisrunde, dem Boden 201a gegenüber liegende Öffnung auf. Diese ist mittels des scheibenförmigen Gehäuseteils 202 verschlossen.
  • Im Inneren des Gehäuses ist die als Hohlzylinder ausgebildete positive Elektrode 203 angeordnet, die aus drei Einzelsegmenten 203a bis 203c zusammengesetzt ist. Die positive Elektrode 203 besteht im Wesentlichen aus Mangandioxid. Die Einzelsegmente 203a bis 203c sind jeweils ringförmig ausgebildet und weisen einen jeweils identischen Außen- und Innendurchmesser auf. Innerhalb des Gehäuseteils 201 sind sie stapelförmig angeordnet und definieren in ihrem Zentrum den Hohlraum 204. In diesem ist die aus metallischem Lithium (einem Strang aus Lithiummetall) bestehende negative Elektrode 205 angeordnet, die von einem becherförmigen Separator 206 umgeben ist. Letzterer trennt die Elektroden 203 und 205 voneinander. Bei dem Separator 206 handelt es sich um eine Hülse aus einem Vliesstoff aus Kunststofffasern, beispielsweise aus Polypropylen.
  • Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Hülse an ihrem oberen Ende 212 allerdings nicht offen. Stattdessen ist der Separator 206 hier als geschlossenes Behältnis ausgebildet, das die negative Elektrode 205 vollständig umschließt und lediglich eine Durchbrechung für den stiftförmigen Stromableiter 207 aufweist. Der Separator 206 kann mit dem Isolatorelement 208 fest verbunden sein, beispielsweise durch Verschweißung oder Verklebung.
  • Der Stromableiter 207 kontaktiert die innerhalb des Hohlraums 204 angeordnete negative Elektrode 205. Der Stromableiter 207 weist einen ersten, endständigen Abschnitt 207b auf, der vollständig in der negativen Elektrode 205 versenkt ist, sowie einen zweiten Abschnitt 207c, der nicht unmittelbar mit der negativen Elektrode 205 in Kontakt steht. Weiterhin weist der Stromableiter 207 die konisch zulaufende Spitze 207a und den Flansch 207d auf.
  • Das scheibenförmige Gehäuseteil 202 weist eine zentrale Durchbrechung auf, durch die der Stromableiter 207 aus dem Gehäuseinneren nach außen geführt ist. Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Stromableiter 207 und dem Gehäuseteil 202 zu verhindern, sind zwischen dem Gehäuseteil 202 und dem Stromableiter 207 die elektrisch isolierenden Dichtungen 209 und 210 angeordnet. Letztere schirmt auch das in der Regel aus Metall bestehende Klemmelement 211 vom Gehäuseteil 202 ab.
  • Im Bereich des zweiten Abschnitts 207c könnte im Innenraum des aus den Gehäuseteilen 201 und 202 bestehenden Gehäuses befindlicher Elektrolyt mit dem Stromableiter 207 unmittelbar in Kontakt treten. Dies wird jedoch durch das Isolatorelement 208 wirksam verhindert. Bei dem Isolatorelement 208 handelt es sich um eine passgenaue Hülse aus Kunststoff, die auf den Stromableiter 207 aufgezogen ist. Diese überdeckt den Stromableiter 207 ausgehend von der Dichtung 209 bis zu dem Punkt, in dem er in die negative Elektrode 205 eintritt. In bevorzugten Ausführungsformen kann das Isolatorelement 208 mit der Dichtung 209 fest verbunden sein, beispielsweise durch Verschmelzung oder Verklebung.
  • Batterien gemäß den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsformen wurden einem Lagerungsversuch mit einem Temperaturgradienten (negative Elektrode wärmer als positive Elektrode) unterzogen. Bei diesen Bedingungen würde es typischerweise zu einer Lithiumabscheidung auf dem Stromableiter kommen. Auf den Stromableitern 107 und 207 konnten jedoch nach Abschluss des Versuchs keine Lithiumabscheidungen beobachtet werden.

Claims (7)

  1. Lithium-Batterie (100; 200) mit den folgenden Merkmalen
    a. Sie umfasst eine als Hohlzylinder ausgebildete, einen Hohlraum (104; 204) definierende positive Elektrode (103; 203),
    b. Sie umfasst eine in dem Hohlraum (104; 204) angeordnete negative Elektrode (105; 205),
    c. Sie umfasst einen zwischen der positiven und der negativen Elektrode (103, 105; 203, 205) angeordneten Separator (106; 206),
    d. Sie umfasst einen flüssigen Elektrolyten, mit dem die Elektroden (103, 105; 203, 205) und der Separator (106; 206) getränkt sind,
    e. Sie umfasst einen ersten Stromableiter (107; 207) für die negative Elektrode (105; 205),
    f. Sie umfasst einen zweiten Stromableiter für die positive Elektrode (103; 203),
    g. Sie umfasst ein mindestens zweiteiliges Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem die positive Elektrode (103; 203) samt der in dem Hohlraum (104; 204) angeordneten negativen Elektrode (105; 205) und dem Separator (106; 206) angeordnet sind,
    h. Als erster Stromableiter (107; 207) ist innerhalb des Gehäuses ein Stift vorgesehen,
    i. Als zweiter Stromableiter dient ein Teil des Gehäuses (101; 201),
    j. Der Stift (107; 207) weist einen ersten, endständigen Abschnitt (107b; 207b) auf, der vollständig in der negativen Elektrode (105; 205) versenkt ist, und
    k. Der Stift (107; 207) weist innerhalb des Gehäuses einen zweiten Abschnitt (107c; 207c) auf, der nicht in unmittelbarem Kontakt mit der negativen Elektrode (105; 205) steht und der sich unmittelbar an den ersten Abschnitt (107b; 207b) anschließt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    1. die Batterie ein Isolatorelement (108; 208), das einen unmittelbaren Kontakt des Elektrolyten mit dem zweiten Abschnitt (107c; 207c) unterbindet, umfasst.
  2. Batterie nach Anspruch 1 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:
    a. Das Isolatorelement (108; 208) besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff.
    b. Bei dem Isolatorelement (108; 208) handelt es sich um eine Folie oder eine Hülse.
    c. Bei dem Isolatorelement handelt es sich um eine Beschichtung, insbesondere um einen Lack.
  3. Batterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit mindestens einem der zusätzlichen Merkmale:
    a. Der Separator (206) ist als geschlossenes Behältnis ausgebildet, das die negative Elektrode (205) vollständig umschließt und lediglich eine Durchbrechung für den ersten Stromableiter (207) aufweist.
    b. Der Separator (206) ist mit dem Isolatorelement (208) durch Verschweißung oder Verklebung verbunden.
  4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der zusätzlichen Merkmale:
    a. Das Gehäuse umfasst ein erstes, becherförmiges Gehäuseteil (101; 201) mit einem stirnseitigen Gehäuseboden (101a; 201a), einem umlaufenden Gehäusemantel (101b; 201b) und einer dem Gehäuseboden (101a; 201a) gegenüberliegenden stirnseitigen Öffnung.
    b. Das Gehäuse umfasst ein zweites, die stirnseitige Öffnung des ersten Gehäuseteils verschließendes Gehäuseteil (102; 202).
  5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der zusätzlichen Merkmale:
    a. Das zweite Gehäuseteil ist scheibenförmig ausgebildet und der der erste Stromableiter ist elektrisch mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden, insbesondere durch Verschweißung.
    b. Das Gehäuse weist eine elektrisch isolierende Dichtung auf, die zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil angeordnet ist.
  6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit mindestens einem der zusätzlichen Merkmale:
    a. Das zweite Gehäuseteil (102; 202) ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine (zentrale) Durchbrechung auf, durch welche der erste Stromableiter (107; 207) aus dem Gehäuseinneren nach außen geführt ist.
    b. Das Gehäuse weist eine elektrisch isolierende Dichtung (109, 110; 209, 210) auf, die einen Kontakt zwischen dem ersten Stromableiter (107; 207) und dem zweiten Gehäuseteil (102; 202) unterbindet.
  7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der zusätzlichen Merkmale:
    a. Die hohlzylindrisch ausgebildete positive Elektrode (103; 203) steht in unmittelbarem Kontakt mit dem ersten Gehäuseteil (101; 201).
    b. Die positive Elektrode (103; 203) setzt sich aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten (103a, 103b, 103c; 203a, 203b, 203c) zusammen, die über erste Kontaktflächen flächig aneinandergrenzen und über zweite Kontaktflächen an dem ersten Gehäuseteil (101; 201) anliegen.
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